淺基坑開挖對既有車站的安全影響分析

劉 盼

(武漢地鐵股份有限公司,湖北 武漢 430000)

城市軌道交通建設在很大程度上緩和了城市交通堵塞現象,為公眾出行提供了便利,提高了人民的生活質量,但隨著軌道交通線路的發展,交通網絡越來越密集,致使很多線路相互交叉或緊鄰。因此,新車站的建設勢必會導致既有車站的安全問題,需要重點研究。國內外學者在已有的理論和實踐基礎上,給出了很多研究方法。任亞亮[1]采用數值模擬方法計算鄰近基坑開挖引起的既有車站圍護立柱樁差異變形,徐騰飛[2]對相鄰基坑開挖的安全風險進行了評估,陳濤等[3]采用PLAXIS 3D 模擬鄰近基坑開挖過程,分析了基坑施工對既有線路隧道的變形影響。在此采用midas GTS 數值模擬分析淺基坑開挖對既有結構變形的影響。

1 工程概況

中一路站為8號線、12號線、21號線三線換乘車站,位于江岸區后湖大道與中一路—塔子湖東路十字路口處。8號線車站沿中一路—塔子湖東路南北向設置,已于2017年12月通車運營,本次設計的12號線和21號線車站平行、合建,沿后湖大道東西向設置在中一路西側。12號線與21號線雙島四線同臺換乘,12號線、21號線與8號線通道換乘,其中12號線和21號線車站為地下三層框架結構。

主體基坑采用“分幅蓋挖逆作法”施工,主體圍護結構分南北兩期分期施工。頂板作為主體基坑逆做蓋板,其對應淺基坑分別在圍護結構施工完畢后開挖并施工。淺基坑開挖一側采用主體圍護結構地連墻作為支護,另一側采用多重方式支護,包括鋼板樁+鋼支撐、放坡+鋼筋混凝土錨桿護坡。頂板全部成型后,進行下方深基坑開挖及對應主體結構施工。本次以淺基坑為研究對象,該工程在頂板施工中采用開挖放坡施工方式,開挖深度 6.2 m,放坡控制坡率1∶1.25,坡面采用土釘噴錨支護,按基坑支護規程評定安全等級為二級。

2 工程地質概況

工程場地地貌單元均屬河流、湖泊堆積平原,為長江Ⅰ級階地。工程場區原為城中湖泊及耕地,后由于經濟發展,現已發展成為主城區,房屋密集、道路交錯、交通流量較大。場地地表高程一般介于20～21 m之間,地形平坦,起伏小。

表1 巖土物理力學參數

3 場地水文地質條件

按場地內地下水的賦存條件,主要為第四系上層滯水、孔隙承壓水和碎屑巖裂隙水三種類型。

(1)第四系上層滯水。主要賦存于(1-1)雜填土、(1-2)素填土中,主要接受地表水與大氣降水補給。因其含水層物質成分、密實度、透水性、厚度等不均一性而導致水量大小不一,水位不連續,無統一自由水面等特征,勘察期間測得上層滯水水位埋深1.30～3.10 m,相應標高17.92～19.76 m。

(2)第四系孔隙承壓水。第四系孔隙承壓水為本區(Ⅰ級階地)主要地下水,主要賦存于第四系沖積砂土和沖洪積碎石類土中,含水層上部為微弱透水的黏性土,含水層(粉砂、粉細砂、含礫中粗砂、圓礫混卵石)頂板埋深為8.30～30.10 m,含水層厚度一般為16.80～41.40 m,底板為白堊-下第三系東湖群砂礫巖、粉砂質泥巖,埋深39.30～57.60 m?？辈炱陂g實測該層地下水位埋深4.30～6.40 m,相應標高13.95～16.49 m。Ⅰ級階地全新統孔隙水的承壓性與長江水力聯系密切,長江水位高于地下水位時,江水補給地下水,孔隙水具弱承壓性;長江水位低于地下水位時,地下水補給江水,地下水不具承壓性,季節變化明顯,承壓水位年變化幅度為3～4 m。

(3)碎屑巖裂隙水。碎屑巖裂隙水主要賦存于白堊-下第三系東湖群砂礫巖、粉砂質泥巖中,主要接受上部孔隙承壓水的入滲補給,其含水層頂面即為基巖面?；鶐r裂隙多呈閉合狀,延伸長度較短,賦水性較弱,水量較小,未測得裂隙水位。

4 邊坡施工及穩定性驗算

4.1 施工技術

淺基坑地質土層主要為雜填土、黏性土,其抗剪強度較低,自穩能力較差,需采取以下施工控制措施來保證基坑安全[4]。

(1)邊坡在開挖過程中需遵循“隨挖隨支,分層開挖,及時噴錨”的施工原則,保證放坡坡率為1∶1.25,嚴禁大面積開挖,杜絕擾動未開挖土體,基坑邊部2 m范圍內禁止堆土,防止坡頂均布荷載過大導致邊坡滑裂。在特殊天氣施工時,應提前安排施工計劃,防止邊坡開挖后不能及時噴錨而造成掌子面滑坡隱患。淺基坑開挖橫斷面如圖1所示。

圖1 淺基坑開挖橫斷面(單位:mm)

(2)土釘墻施工時,應注意對原雨水箱涵的保護,防止施打土釘時打破雨水管路。土釘注漿采用PC 42.5復合硅酸鹽水泥,并摻入早強劑,通過現場試驗得出注漿壓力為0.4 MPa左右。土釘鎖定筋與土釘采用滿焊焊接連接,焊接高度≥0.3d(d為土釘直徑)。鋼筋網鋼筋搭接長度不小于一個網格寬度。土釘鋼筋端部通過錨頭筋與面層內的加強筋及鋼筋網連接時,其相互之間應可靠焊牢。

(3)邊坡開挖時應提前對地表、既有車站、坡頂和坡底布設監測點,及時對監測數據進行分析,掌握邊坡穩定情況,并可依據監測數據優化后續施工工藝,積累施工經驗。

(4)基坑邊坡底部應隨挖隨做排水溝槽,溝槽須有5‰的坡度,便于積水匯流,并采用水泥砂漿做防滲處理,防止邊坡底部積水時間過長而引起滲透垮塌。底部開挖較長的地段,有條件時可適當做集水井,并安裝排水泵。

(5)施工之前應進行技術交底,讀懂圖紙,按圖施工。并提前做好工藝流程及說明,根據實際情況可在施工現場對工人進行技術指導,施工技術人員需全程參與施工過程[5]。土釘與面層連接如圖2所示,土釘墻立面如圖3所示。

圖2 土釘與面層連接示意圖

圖3 土釘墻立面圖(單位:mm)

4.2 土釘墻邊坡穩定性驗算

淺基坑開挖處于交通流量較大地段,地表有均布荷載產生,又與既有車站距離較近,故應重點控制土釘墻邊坡的穩定性,穩定計算示意圖如圖4所示。

圖4 土釘墻邊坡穩定計算示意圖

依據基坑支護規范,結合現場實際施工情況,對相關計算參數取值如下:q為無限均布荷載,25 kPa;h為基坑開挖深度,6.2 m;b為基坑水平投影寬度,9.3 m;h1為①層土的厚度,取4 m;h2為②層土的厚度,取4.2 m;h3為③層土的厚度,取3 m。各層土力學參數如表2所示。

表2 各層土的力學參數

基于以上參數,根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)第5.1節的規定,計算可得土釘墻抗隆起安全系數Kb=1.74>1.6,滿足規范要求。綜合分析,土釘墻邊坡穩定性滿足要求。

5 數值模擬分析

采用midas GTS 進行數值模擬建立有限元模型,土體運用本構模型及Mohr-Coulomb 屈服準則,車站結構采用線彈性模型。本基坑開挖深度6.2 m,但考慮基坑周邊環境復雜,基坑邊交通流密集且鄰近建筑物,安全風險定為二級。根據圣維南原理,縱向取3×6.2=18.6 m,橫向取6.2×3=18.6 m,土體頂面自由,其余三面采用約束限制。數值模擬分析采用與施工三層開挖過程相同進程,分別模擬第一層土方開挖、第二層土方開挖、第三層土方開挖引起的邊坡位移和既有車站位移變化情況。

5.1 施工過程模擬分析

(1)第一層土方開挖。

分析第一層土方開挖深度2.1 m引起的自重應力釋放,計算邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據計算,第一層土方開挖后邊坡中上部位移變化0.2 mm,既有車站豎向位移變化 0.018 mm,水平位移變化0.025 3 mm。各位移變化值遠小于地鐵標準控制值20 mm。

(2)第二層土方開挖。

分析第二層土方開挖深度2.1～4.2 m引起的自重應力釋放,分析邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據計算,第二層土方開挖后邊坡中部位移變化為2.7 mm,既有車站豎向位移變化1.4 mm,水平位移最大值發生在中板處為0.206 mm,分析原因為第二層土方開挖后,自重應力釋放較大,加之周邊活動荷載較大,引起邊坡土體移動。各位移變化值遠小于地鐵標準控制值20 mm。

(3)第三層土方開挖。

分析第三層土方開挖深度4.2～6.2 m引起的邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據計算,第三層土方開挖后邊坡的最大位移仍發展在中部為4.6 mm,分析原因為邊坡放坡坡率大于土體內摩擦角,致使邊坡有向下的滑動趨勢。既有車站豎向位移變化左側為4.01 mm,右側為2.22 mm,水平位移最大值發生在左側為0.335 mm。車站整體豎向變化較大,水平變化值可忽略,各位移值遠小于地鐵標準控制值20 mm,表明既有結構安全。

(4)施工結束后。

分析淺基坑施工結束后邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據計算,淺基坑施工結束后,既有車站受到土壓力的作用,豎向位移由4.01 mm 減小到2.8 mm,發生在中板位置處;頂板的豎向變化為2.7 mm;水平位移由0.335 mm增加到0.4 mm,增加量小,可忽略。

5.2 模擬驗算結論

由數值模擬結果可知,淺基坑開挖中因土體擾動引起的邊坡最大沉降為4.6 mm,但小于控制值20 mm。既有車站在土方回填后豎向位移由4.01 mm減小到2.8 mm,水平位移為0.4 mm,既有車站屬于已穩定體系,各力學參數處于靜力平衡狀態,相對變化量較小。故綜合以上模擬計算結果,變形值均小于控制值,既有車站結構安全。

6 現場監測分析

按專項監測方案進行布點,重點對地表豎向變形、基坑邊坡豎向和水平位移,以及既有車站結構豎向和水平位移進行監測,并選取影響范圍較大的監測點的累計變化數據進行分析。

(1)地表豎向位移。各測點地表豎向位移監測數據如圖5所示。

圖5 地表豎向位移

由圖5可知,地表變形最大值為1.61 mm,方向向下;最小值為0.1 mm,變形值低,遠小于規范規定的20 mm,故現場施工技術措施到位,地表穩定。

(2)放坡邊坡豎向位移及水平位移。

基坑邊坡按照設計方案1∶1.5坡率進行放坡開挖,分別在坡頂和坡底布設監測點,匯總各監測點一個月的累計變化值進行分析,邊坡豎向位移見圖6,水平位移見圖7。

圖6 邊坡豎向位移

圖7 邊坡水平位移

由圖6、圖7可知,邊坡豎向位移最大值為2.93 mm,方向向下;最小位移為0.35 mm,方向向上。水平位移最大值為2.8 mm,最小值為0.1 mm。不論豎向位移還是水平位移,實際變形值均小于控制值 20 mm,說明放坡安全可控。

(3)既有車站豎向位移及水平位移。既有車站豎向位移見圖8,水平位移見圖9。

圖8 既有車站豎向位移

圖9 既有車站水平位移

由圖8、圖9可知,既有車站的豎向位移最大值為1.6 mm,方向向上,最小值位移為0.4 mm,方向向下;水平位移最大值為3.3 mm,最小值為0.4 mm。不論豎向位移還是水平位移,實際變形值均小于控制值30 mm,說明既有車站安全可控。

(4)通過對淺基坑開挖過程中地表和邊坡位移監測,既有車站結構和地表的沉降量均很小,表明淺基坑開挖對土體的擾動小。邊坡豎向位移變化值最大為2.93 mm,說明已開挖土體的受力結構發生改變,對機械設備的施工和運行有一定的影響,但總體位移變化可控,既有車站安全。

7 結 論

(1)通過數值模擬分析,既有地鐵結構豎向位移最大值為4.01 mm,基坑放坡水平位移和豎向位移變化值較小,均在規范控制范圍內,表明對既有車站安全影響小。

(2)施工過程中應嚴格按臺階控制土方施工,分層開挖,禁止大斷面開挖,開挖中應注意對坡面的保護,防止擾動坡面穩定土體,并及時進行土釘噴錨。

(3)施工中應加強監測,注意分析監測中所發生的異常情況。實際監測數據顯示邊坡豎向位移為2.93 mm,小于控制值20 mm,坡面安全穩定。

(4)土釘施工應分段施打,并結合受力特點防止在打入過程中折斷,需保證土釘20°的傾入角,以加大土釘的抗滑力矩,控制邊坡滑塌。